(57)【要約】  【課題】  本発明は、所定の試片を支持し、その試片を直角座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸直線方向へ互いに独立的で、精密に移動させるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸ステージなどを含む３軸直線運動ステージ及びそれを用いた試片検査装置に関する。  【解決手段】  ３軸直線運動ステージは所定の広さと厚さとを有する底板４０と、上記底板４０の基準領域ＲＲに固定され、上記基準領域ＲＲからＸ軸方向に位置する第１のＸ領域ＲＸ１をＸ軸方向へ直線運動させるＸ軸ステージ１０と、上記第１のＸ領域ＲＸ１内に位置し、上記第１のＸ領域ＲＸ１内の第２のＸ領域ＲＸ２に固定され、上記第２のＸ領域ＲＸ２からＹ軸方向に位置する第１のＹ領域ＲＹ１をＹ軸方向へのみ直線運動させるＹ軸ステージ２０と、上記第１のＹ領域ＲＹ１内の第２のＹ領域ＲＹ２に固定され、所定の試片を支持し、上記試片をＺ軸方向へ直線運動させるＺ軸ステージ３０とを含むことを特徴とする。【選択図】    図１
2005019378.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の広さと厚さとを有する底板(４０)と、
前記底板(４０)の基準領域(ＲＲ)に固定され、前記基準領域(ＲＲ)からＸ軸方向に位置する第１のＸ領域(ＲＸ１)をＸ軸方向へ直線運動させるＸ軸ステージ(１０)と、
前記第１のＸ領域(ＲＸ１)内に位置し、前記第１のＸ領域(ＲＸ１)内の第２のＸ領域(ＲＸ２)に固定され、前記第２のＸ領域(ＲＸ２)からＹ軸方向に位置する第１のＹ領域(ＲＹ１)をＹ軸方向へのみ直線運動させるＹ軸ステージ(２０)と、
前記第１のＹ領域(ＲＹ１)内の第２のＹ領域(ＲＹ２)に固定され、所定の試片を支持し、前記試片をＺ軸方向へ直線運動させるＺ軸ステージ(３０)とを含むことを特徴とし、
ここで、前記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は直角座標系の各軸を示すことを特徴とする３軸直線運動ステージ。
【請求項２】
前記Ｘ軸ステージ(１０)は、
所定の長さを有し、入力される電圧によりＹ軸方向へ長さが変わる圧電素子(１３)と、
前記圧電素子(１３)の長さ方向の両端とそれぞれ連結され、前記圧電素子(１３)の駆動により前記圧電素子(１３)を中心として前記基準領域(ＲＲ)内にある第１のＸ端(１６−１)から前記第１のＸ領域(ＲＸ１)内の第２のＸ端(１６−２)を、Ｘ軸方向へ直線移動させる第１のＸ駆動部(１１−１)及び第２のＸ駆動部(１１−２)とを含むことを特徴とする請求項１に記載の３軸直線運動ステージ。
【請求項３】
前記第１及び第２のＸ駆動部(１１−１)，(１１−２)は、
前記圧電素子(１３)が駆動することにより生成される変位を増幅し、その増幅された変位だけＸ軸方向へ、前記第１のＸ端(１６−１)の反対側にそれぞれ形成された第３及び第４のＸ端(１６−３)，(１６−４)を直線運動させる第１及び第２のＸ増幅部(１２−１)，(１２−２)と、
前記増幅された変位だけＸ軸方向へ並んで移動する第１及び第２のＸ線形運動部(１３−１)，(１３−２)と、
前記第１及び第２のＸ線形運動部(１３−１)，(１３−２)に、前記第３及び第４のＸ端(１６−３)，(１６−４)をそれぞれ連結する第１及び第２のスリット(１９−１Ｂ)，(１９−１)と、
前記第３のＸ端(１６−３)と連結される第１のＸ線形運動部(１３−１)の端の他端と、前記第４のＸ端(１６−４)と連結される第２のＸ線形運動部(１３−２)の端の他端とを連結する第３のスリット(１９−１Ａ)とを含むことを特徴とする請求項２に記載の３軸直線運動ステージ。
【請求項４】
前記第１及び第２のＸ増幅部(１２−１)，(１２−２)は、
前記圧電素子の変位を取り入れる第１及び第２の加圧部(１４−１)，(１４−２)と、
それぞれの前記第１及び第２の加圧部(１４−１)，(１４−２)を中心としてその両側に、前記圧電素子の長さ方向に形成された中間棒と、
前記第１及び第２の加圧部(１４−１)，(１４−２)と隣接する前記中間棒(１５−１)の端などの他端などを連結する第４及び第５のスリットなどとを含むことを特徴とする請求項３に記載の３軸直線運動ステージ。
【請求項５】
前記中間棒(１５−１)は、
所定の幅を有するように形成された柱部(１５−１Ａ)と、
前記柱部(１５−１Ａ)の両端に所定の半径を有する半円形の溝(１５−１Ｃ)によって前記柱部の幅より相対的に薄い厚さを有する狭小部(１５−１Ｂ)とを含むことを特徴とする請求項４に記載の３軸直線運動ステージ。
【請求項６】
前記それぞれの第１及び第２のＸ増幅部(１２−１)，(１２−２)は、
前記第４及び第５のスリットなど、前記加圧部(１４−１)及び前記中間棒(１５−１)で囲まれて形成される領域に、所定の大きさの孔(１８−１)をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の３軸直線運動ステージ。
【請求項７】
前記第１及び第２のＸ線形運動部(１３−１)，(１３−２)は、
前記第１及び第２のスリット(１９−１Ｂ)，(１９−１Ｃ)を介して前記第３及び第４のＸ端(１６−３)，(１６−４)と連結される第１及び第２のＸ二重スプリング(１３−１Ｂ)，(１３−２Ｂ)と、
それぞれ所定の長さを有し、Ｘ軸と並んだ方向に形成された複数個のスリットなど(１９−１Ｄ)，(１９−１Ｅ)を介して前記第１及び第２のＸ二重スプリング(１３−１Ｂ)，(１３−２Ｂ)と連結される第３及び第４のＸ二重スプリング(１３−１Ａ)，(１３−２Ａ)とを含むことを特徴とし、
ここで、前記第３及び第４のＸ二重スプリング(１３−１Ａ)，(１３−２Ａ)の端は前記第３のスリット(１９−１Ａ)を介して互いに連結されることを特徴とする請求項６に記載の３軸直線運動ステージ。
【請求項８】
それぞれの前記第１〜第４のＸ二重スプリング(１３−１Ｂ)，(１３−２Ｂ)，(１３−１Ａ)，(１３−２Ａ)は、
二重に配列された二つの中間棒を含むことを特徴とし、
ここで、それぞれの中間棒は、所定の幅を有する柱部(１３−１Ｃ)と、前記柱部の両端に所定の半径を有する半円形の溝によって前記柱部の幅より相対的に狭い厚さを有する狭小部を含むことを特徴とする請求項７に記載の３軸直線運動ステージ。
【請求項９】
前記第１及び第２のＸ線形運動部(１３−１)，(１３−２)は、
前記第１及び第２のスリット(１９−１Ｂ)，(１９−１Ｃ)を介して前記第３及び第４のＸ端(１６−３)，(１６−４)と連結される第１及び第２のＸ二重スプリング(１３−１Ｂ)，(１３−２Ｂ)と、
それぞれ所定の長さを有し、Ｘ軸と並んだ方向に形成された複数個のスリットなど(１９−１Ｄ)，(１９−１Ｅ)を介して前記第１及び第２のＸ二重スプリング(１３−１Ｂ)，(１３−２Ｂ)と連結される第３及び第４のＸ二重スプリング(１３−１Ａ)，(１３−２Ａ)とを含むことを特徴とし、
ここで、前記第３及び第４のＸ二重スプリング(１３−１Ａ)，(１３−２Ａ)の端は前記第３のスリット(１９−１Ａ)を介して互いに連結されることを特徴とする請求項３に記載の３軸直線運動ステージ。
【請求項１０】
それぞれの前記第１〜第４のＸ二重スプリング(１３−１Ｂ)，(１３−２Ｂ)，(１３−１Ａ)，(１３−２Ａ)は、
二重に配列された二つの中間棒を含むことを特徴とし、
ここで、それぞれの中間棒は、所定の幅を有する柱部(１３−１Ｃ)と、前記柱部の両端に所定の半径を有する半円形の溝によって前記柱部の幅より相対的に狭い厚さを有する狭小部を含むことを特徴とする請求項９に記載の３軸直線運動ステージ。
【請求項１１】
前記Ｙ軸ステージ(２０)は、
所定の長さを有し、入力される電圧によりＸ軸方向へ長さが変わる圧電素子(２３)と、
前記圧電素子(２３)の長さ方向の両端とそれぞれ連結され、前記第２のＸ領域(ＲＸ２)の第１のＹ端(２６)に固定され、前記圧電素子(２３)を基準として、前記第１のＹ端(２５)から反対側に形成された第２のＹ端(２６)をＹ軸方向へ直線移動させる第１のＹ駆動部(２１−１)及び第２のＹ駆動部(２１−２)とを含むことを特徴とする請求項２に記載の３軸直線運動ステージ。
【請求項１２】
前記Ｚ軸ステージ(３０)は、
前記Ｙ軸ステージ(２０)の第２のＹ領域(ＲＹ２)内に固定される、所定の広さと厚さとを有する底部(３４)と、
前記底部(３４)の面に垂直方向のＺ軸方向で、底部(３４)と一体型に形成されてＺ軸方向へ直線運動するＺ線形駆動部(３１)と、
前記底部(３４)と前記Ｚ線形駆動部(３１)とが接する部位であり、前記Ｚ線形駆動部(３１)に形成された、所定の大きさの空間(３１−１)にＺ軸方向へ長さが増減するように設けられる圧電素子(３３)とを含むことを特徴とする請求項１１に記載の３軸直線運動ステージ。
【請求項１３】
前記Ｚ軸ステージ(３０)は、
前記Ｙ軸ステージ(２０)の第２のＹ領域(ＲＹ２)内に固定される、所定の広さと厚さとを有する底部(３４)と、
前記底部(３４)の面に垂直方向のＺ軸方向で、底部(３４)と一体型に形成されてＺ軸方向へ直線運動するＺ線形駆動部(３１)と、
前記底部(３４)と前記Ｚ線形駆動部(３１)とが接する部位であり、前記Ｚ線形駆動部(３１)に形成された、所定の大きさの空間(３１−１)にＺ軸方向へ長さが増減するように設けられる圧電素子(３３)とを含むことを特徴とする請求項２に記載の３軸直線運動ステージ。
【請求項１４】
前記Ｙ軸ステージ(２０)は、
所定の長さを有し、入力される電圧によりＸ軸方向へ長さが変わる圧電素子(２３)と、
前記圧電素子(２３)の長さ方向の両端とそれぞれ連結され、前記第２のＸ領域(ＲＸ２)の第１のＹ端(２６)に固定され、前記圧電素子(２３)を基準として、前記第１のＹ端(２５)から反対側に形成された第２のＹ端(２６)をＹ軸方向へ直線移動させる第１のＹ駆動部(２１−１)及び第２のＹ駆動部(２１−２)とを含むことを特徴とする請求項１に記載の３軸直線運動ステージ。
【請求項１５】
前記第１及び第２のＹ駆動部(２１−１)，(２１−２)は、
前記圧電素子(２３)の長さ方向の両端にそれぞれ連結され、前記圧電素子(２３)が駆動することにより生成される変位を増幅し、前記増幅された変位だけＹ軸方向へ、前記第２のＹ端(２６)をＹ軸方向へ直線運動させる第１及び第２のＹ増幅部(２２−１)，(２２−２)と、
前記第１のＹ端(２６)部を横切る第１及び第２のスリット (２７−１)，(２７−２) などを介して、前記第１及び第２のＹ増幅部(２２−１)，(２２−２)とそれぞれ連結され、前記増幅された変位だけＹ軸方向へ並んで移動する第１及び第２のＹ線形運動部(２３−１)，(２３−２)とを含むことを特徴とし、
ここで、前記第１及び第２のＹ増幅部(２２−１)，(２２−２)と連結される第１及び第２のＹ線形運動部(２３−１)，(２３−２)の端などの他端などは前記第３のスリット(２７−３)によって互いに連結されることを特徴とする請求項１４に記載の３軸直線運動ステージ。
【請求項１６】
それぞれの前記第１のＹ増幅部(２２−１)と前記第２のＹ増幅部(２２−２)は、
前記圧電素子(２３)の変位を取り入れる加圧部(２４−１)，(２４−２)と、
前記加圧部(２４−１)，(２４−２)を中心としてＸ軸に対称的にその両側に形成された中間棒など(２４)とを含むことを特徴とし、
ここで、前記中間棒(２４)には、所定の幅を有する柱部と、前記柱部の両端に所定の半径を有する半円形の溝によって前記柱部の幅より狭い幅を有する狭小部を含むことを特徴とする請求項１５に記載の３軸直線運動ステージ。
【請求項１７】
前記第１及び第２のＹ線形運動部(２３−１)，(２３−２)は、
前記第１及び第２のスリット(２７−１)，(２７−２)を介して前記第１及び第２のＹ増幅部の端と連結される第１及び第２のＹ二重スプリングと、
それぞれ所定の長さを有し、Ｙ軸と並んだ方向に形成された複数個のスリットなどを介して前記第１及び第２のＹ二重スプリングと連結される第３及び第４のＹ二重スプリングとを含むことを特徴とし、
ここで、前記第３及び第４のＹ二重スプリングの端は前記第３のスリット２７−３を介して互いに連結されることを特徴とする請求項１６に記載の３軸直線運動ステージ。
【請求項１８】
前記Ｚ軸ステージは、
前記Ｙ軸ステージ(２０)の第２のＹ領域(ＲＹ２)内に固定される、所定の広さと厚さとを有する底部(３４)と、
前記底部(３４)の面に垂直方向のＺ軸方向で、底部(３４)と一体型に形成されてＺ軸方向へ直線運動するＺ線形駆動部(３１)と、
前記底部(３４)と前記Ｚ線形駆動部(３１)とが接する部位であり、前記Ｚ線形駆動部(３１)に形成された、所定の大きさの空間(３１−１)にＺ軸方向へ長さが増減するように設けられる圧電素子(３３)とを含むことを特徴とする請求項１に記載の３軸直線運動ステージ。
【請求項１９】
前記Ｚ線形駆動部(３１)は、
前記圧電素子(３３)の駆動により前記圧電素子を基準として底部(３４)からＺ軸方向に位置した第１のＺ端(３６)をＺ軸へ直線運動させる第１及び第２のＺ線形運動部(３１−１)，(３１−２)を含むことを特徴とし、
ここで、前記それぞれの第１及び第２のＺ線形運動部(３１−１)，(３１−２)は、Ｚ軸方向に配列されたそれぞれ第１〜第２のＺ二重スプリング(３１−１Ａ)，(３１−１Ｂ)及び第３〜第４のＺ二重スプリング(３１−２Ａ)，(３１−２Ｂ)を含み、前記第１及び第３のＺ二重スプリングの端が第４のスリット(３５)によって連結されることを特徴とする請求項１８に記載の３軸直線運動ステージ。
【請求項２０】
所定の試片を支持し、前記試片を、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向へ独立的で、精密で、正確に移動させる３軸直線運動ステージ(１００)と、
前記３軸直線運動ステージがその内部に設けられ、レーザを使用して前記試片の位置を測定し、前記試片を走査する原子顕微鏡とを含むことを特徴とし、
ここで、前記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は直角座標系の各軸を示すことを特徴とする３軸直線運動ステージを用いた試片検査装置。
【請求項２１】
所定の広さと厚さとを有する底板(４０)と、
前記底板(４０)の基準領域(ＲＲ)に固定され、前記基準領域(ＲＲ)からＸ軸方向に位置する第１のＸ領域(ＲＸ１)をＸ軸方向へ直線運動させるＸ軸ステージ(１０)と、
前記第１のＸ領域(ＲＸ１)内に位置し、前記第１のＸ領域ＲＸ１内の第２のＸ領域(ＲＸ２)に固定され、前記第２のＸ領域(ＲＸ２)からＹ軸方向に位置する第１のＹ領域(ＲＹ１をＹ軸方向へのみ直線運動させるＹ軸ステージ(２０)と、
前記第１のＹ領域(ＲＹ１)内の第２のＹ領域(ＲＹ２)に固定され、所定の試片を支持し、前記試片をＺ軸方向へ直線運動させるＺ軸ステージ(３０)とを含むことを特徴とし、
ここで、前記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は直角座標系の各軸を示すことを特徴とする請求項２０に記載の３軸直線運動ステージを用いた試片検査装置。
【請求項２２】
前記Ｙ軸ステージは、
所定の長さを有し、入力される電圧によりＸ軸方向へ長さが変わる圧電素子(２３)と、
前記圧電素子(２３)の長さ方向の両端とそれぞれ連結され、前記第２のＸ領域(ＲＸ２)の第１のＹ端(２６)に固定され、前記圧電素子(２３)を基準として、前記第１のＹ端(２５)から反対側に形成された第２のＹ端(２６)をＹ軸方向へ直線移動させる第１のＹ駆動部(２１−１)及び第２のＹ駆動部(２１−２)とを含むことを特徴とする請求項２１に記載の３軸直線運動ステージを用いた試片検査装置。
【請求項２３】
前記Ｚ軸ステージは、
前記Ｙ軸ステージ(２０)の第２のＹ領域(ＲＹ２)内に固定される、所定の広さと厚さとを有する底部(３４)と、
前記底部(３４)の面に垂直方向のＺ軸方向で、底部(３４)と一体型に形成されてＺ軸方向へ直線運動するＺ線形駆動部(３１)と、
前記底部(３４)と前記Ｚ線形駆動部(３１)とが接する部位であり、前記Ｚ線形駆動部(３１)に形成された、所定の大きさの空間(３１−１)にＺ軸方向へ長さが増減するように設けられる圧電素子(３３)とを含むことを特徴とする請求項２２に記載の３軸直線運動ステージを用いた試片検査装置。
【請求項２４】
前記Ｚ軸ステージは、
前記Ｙ軸ステージ(２０)の第２のＹ領域(ＲＹ２)内に固定される、所定の広さと厚さとを有する底部(３４)と、
前記底部(３４)の面に垂直方向のＺ軸方向で、底部(３４)と一体型に形成されてＺ軸方向へ直線運動するＺ線形駆動部(３１)と、
前記底部(３４)と前記Ｚ線形駆動部(３１)が接する部位であり、前記Ｚ線形駆動部(３１)に形成された、所定の大きさの空間(３１−１)にＺ軸方向へ長さが増減するように設けられる圧電素子(３３)とを含むことを特徴とする請求項２１に記載の３軸直線運動ステージを用いた試片検査装置。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３軸直線運動をする３軸直線運動ステージに関し、さらに詳しくは、所定の試片を支持し、その試片を直角座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸直線方向に互いに独立的で、精密に移動させるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸ステージなどを含む３軸直線運動ステージ及びそれを用いた試片検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、原子顕微鏡内で直角座標系を基準として、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に所定の試片を走査（ｓｃａｎ）するために使用されるステージは、ピエゾ（ＰＺＴ）チューブのような圧電素子を使用することにより、試片を超精密に移動させる。
【０００３】
図１０は従来のピエゾチューブを使用して具現されたステージの動作原理を説明するための構成図である。
ピエゾチューブは、外部から受ける圧力の大きさに比例して陰陽の電荷を生成し、それとは反対に電圧を受けると、その電圧の大きさに比例してその長さが増減する圧電素子である。図面に示したように、ピエゾチューブ１００の両端に電源供給部の電圧が加わると、ピエゾチューブ１００の長さは電圧が加わる前のＬ０長さから△Ｌだけ変化されてＬ０＋△Ｌになり、同時にその長さ方向に垂直な東経方向の直径は上記電圧が加わる前のＤ０の直径から−△Ｄだけ変化されてＤ０−△Ｄになる。従って、上記のような円筒形のピエゾチューブ１００が設けられるステージにおいて、そのピエゾチューブが支持する試片はピエゾチューブ１００が動作することにより、その長さ方向とその東経方向へ微細に移動させることができる。
【０００４】
しかし、ピエゾチューブが設けられたステージにおいて、試片を支持するピエゾチューブのＸ軸及びＹ軸方向（東経方向）の運動とＺ軸方向（長さ方向）の運動が互いに従属的であるため、使用者がピエゾチューブを操作して使用者が所望するＸ軸、またはＹ軸方向へ試片を移動させる時、使用者が所望しないＺ軸方向へも同時に移動される。従って、使用者が所望しないＺ軸方向に発生された変位は補償されなければならない。
【０００５】
しかし、ピエゾチューブから発生された変位とその変位方向の間の相関関係は正確に糾明され得ないため、いずれか一つの方向に対して、その方向の変位を補償する手続きが遂行されるといえどもその補償する手続き過程に、さらに他の誤差がその補償値に含まれるしかない。従って、圧電素子の形状とその圧電素子の特性のみを用いる従来のステージは試片を正確に移動させることができない問題点を有する。
【０００６】
上記従来のステージが有する問題点を無くすために、圧電素子の一側方向の変位（または直線運動の変位）のみ用いて試片を移動させることができるように設けられた直線運動ステージが開発された。
【０００７】
図１１は従来の直線運動ステージに使用されたレーバ型柔軟機構を示した構成図であり、所定の長さを有するレーバ９０と、そのレーバ９０の一側端を固定させ、レーバ９０の回転中心Ｏになる柔軟ヒンジ９１と、柔軟ヒンジ９１が付着された部分の反対側の端に設けられ、所定の試片が置かれる受け台９４とから構成される。
【０００８】
上記のように構成されるレーバ型柔軟機構は、例えば、レーバ９０の回転中心Ｏに相対的に近い地点Ｐ１に所定の大きさの力９３が加わってレーバ９０がＴ１だけ回転変位されると、上記受け台９４が位置したレーバの地点Ｐ２はＴ２だけ回転変位される方式で動作する。ここで、地点Ｐ１の回転変位Ｔ２は地点Ｐ２の回転変位Ｔ１に対して、上記回転中心Ｏと各上記地点Ｐ１と地点Ｐ２の間の距離の比に比例する{T2=(T1)(P2)/(P1)}。
【０００９】
しかし、数〜数十μｍの変位範囲を有する圧電素子がレーバ９０を介して自身の変位範囲を重複させるとしても、レーバ９０の端は円周方向９２に変位が起こるため、レーバの端に置かれた試片は純粋に直線方向へ移動されることができない。
【００１０】
一方、上記のようにレーバ型柔軟機構を有するステージが有する問題点を解決するためにレーバに二重直線スプリングが設けられた二重スプリングステージが開発されたが、その二重直線スプリングステージもそのレーバに置かれた試片を直線方向へ移動させることができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、所定の試片を支持し、その試片を直線方向へ独立的で、精密に移動させることができる３軸直線運動ステージ及びこれを用いた試片検査装置を提供するにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、所定の試片を支持し、その試片を直線方向へ独立的で、精密に移動させることができる柔軟機構がそれぞれ設けられたＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸ステージを含む３軸直線運動ステージ及びこれを用いた試片検査装置を提供するにある。
【００１３】
本発明のさらに他の目的は、所定の試片を支持し、その試片を直線方向へ独立的で、精密に移動させる複合ヒンジ及び／または対称型増幅器がそれぞれ設けられたＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸ステージを含む３軸直線運動ステージ及びこれを用いた試片検査装置を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
このために本発明による３軸直線運動ステージは、所定の広さと厚さとを有する底板４０と、前記底板４０の基準領域ＲＲに固定され、前記基準領域ＲＲからＸ軸方向に位置する第１のＸ領域ＲＸ１をＸ軸方向へ直線運動させるＸ軸ステージ１０と、前記第１のＸ領域ＲＸ１内に位置し、前記第１のＸ領域ＲＸ１内の第２のＸ領域ＲＸ２に固定され、前記第２のＸ領域ＲＸ２からＹ軸方向に位置する第１のＹ領域ＲＹ１をＹ軸方向へのみ直線運動させるＹ軸ステージ２０と、前記第１のＹ領域ＲＹ１内の第２のＹ領域ＲＹ２に固定され、所定の試片を支持し、前記試片をＺ軸方向へ直線運動させるＺ軸ステージ３０とを含むことを特徴とし、ここで、前記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は直角座標系の各軸を示す。
【００１５】
本発明による３軸直線運動ステージを用いた試片検査装置は、所定の試片を支持し、前記試片を、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向へ独立的で、精密で、正確に移動させる３軸直線運動ステージ１００と、前記３軸直線運動ステージがその内部に設けられ、レーザを使用して前記試片の位置を測定し、前記試片を走査する原子顕微鏡とを含むことを特徴とし、ここで、前記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は直角座標系の各軸を示す。
【発明の効果】
【００１６】
今まで説明した本発明の望ましい実施例による３軸直線運動ステージとこれを用いた検査装置は、Ｘ軸ステージとＹ軸ステージが互いに独立的に変位するので、他のステージの運動に影響を及ぼせず、ステージに形成された柔軟複合ヒンジ構造を介してそれぞれのステージの自由度が一方向に制限されるので、試片を正確に直線運動させることができる。
【００１７】
本発明による増幅部は圧電素子による運動の範囲を増幅するために対称型増幅構造を使用しているので、その運動範囲を大きくすると共に、正確に直角方向へその運動を維持できる。
【００１８】
各ステージの駆動部の加圧部がフレーム構造であり、中間棒の構造が台形であるため、ステージの共振周波数が高め、それによりステージの駆動速度が大きくなった。
【００１９】
本発明による３軸直線運動ステージを採用した原子顕微鏡は、検出器が試片固定部の下で試片の位置を測定するため、チップの走査位置と検出器の測定位置を一致させ、それによりアッベ（Ａｂｂｅ）測定誤差がなく、試片を精密で、正確に測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は本発明による３軸直線運動ステージを示した斜視図であって、所定の広さと厚さとを有する底板４０と、上記底板４０の基準領域ＲＲに固定され、基準領域ＲＲからＸ軸方向に位置する第１のＸ領域ＲＸ１をＸ軸方向へ直線運動させるＸ軸ステージ１０と、前記第１のＸ領域ＲＸ１内で第２のＸ領域ＲＸ２に固定され、その第２のＸ領域ＲＸ２からＹ軸方向に位置する第１のＹ領域ＲＹ１をＹ軸方向へのみ直線運動させるＹ軸ステージ２０と、上記第１のＹ領域ＲＹ１内の第２のＹ領域ＲＹ２に固定され、所定の試片を支持し、その試片をＺ軸方向へ直線運動させるＺ軸ステージ３０とを含む。上記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は互いに直角をなす直角座標系の座標軸を示す。ここで、第１のＸ領域ＲＸ１と第２のＸ領域ＲＸ２はＸ軸方向へのみ動く領域を意味する。また、第１のＹ領域ＲＹ１と第２のＹ領域ＲＹ２はＸ軸方向へのみ動く第１のＸ領域ＲＸ１内にある領域であって、たとえ、第１のＹ領域ＲＹ１と第２のＹ領域ＲＹ２がＹ軸ステージ２０内でＹ軸方向へのみ動くといっても、結局には第１のＹ領域ＲＹ１と第２のＹ領域ＲＹ２は底板に対してＸ軸とＹ軸へ移動する。
【００２１】
各ステージを図面と共に、もっと詳細に説明すると、次の通りである。
図２は図１のＸ軸ステージ１０を説明するための構成図であって、所定の長さを有し、入力される電圧によりＹ軸方向へ長さが変わる圧電素子１３と、圧電素子１３の長さ方向の両端とそれぞれ連結され、圧電素子１３の駆動により圧電素子１３を中心として、基準領域ＲＲ内にある第１のＸ端１６−１から第１のＸ領域ＲＸ１内の第２のＸ端１６−２をＸ軸方向へ直線移動させる第１のＸ駆動部１１−１及び第２のＸ駆動部１１−２から構成される。
【００２２】
上記第１のＸ駆動部１１−１と上記第２のＸ駆動部１１−２の構造はＸ軸に対して対称的に形成される。すなわち、上記圧電素子１３の長さ方向の両端とそれぞれ連結される上記第１及び第２のＸ駆動部１１−１，１１−２は、上記圧電素子１３が駆動することによって生成される変位を増幅し、その増幅された変位だけＸ軸方向へ、上記第１のＸ端１６−１の反対側にそれぞれ形成された第３及び第４のＸ端１６−３，１６−４を直線運動させる第１及び第２のＸ増幅部１２−１，１２−２と、スリット１９−１Ｂ、１９−１Ｃを介して上記第３及び第４のＸ端１６−３，１６−４とそれぞれ連結され、上記増幅された変位だけＸ軸方向へ並んで移動する第１及び第２のＸ線形運動部１３−１，１３−２から構成される。この時、スリット１９−１Ａは上記第３のＸ端１６−３と連結される第１のＸ線形運動部１３−１の端の他端と、上記第４のＸ端１６−４とそれぞれ連結される第２のＸ線形運動部１３−２の端の他端とを連結する。
【００２３】
ここで、上記第１及び第２のＸ線形運動部１３−１，１３−２、上記スリット１９−１Ａ，１９−１Ｂ，１９−１Ｃ及び上記第２のＸ端１６−２は自分らによって囲まれる所定の広さを有する第３のＸ領域１７を形成する。上記第３のＸ領域１７は上記Ｙ軸ステージ２０を含む領域である。上記第２のＸ端１６−２は上記第１のＸ端１６−１を基準としてＸ軸の陽方向に、上記第１のＸ端１６−１からそれぞれ上記第３及び第４のＸ端１６−３，１６−４間の距離Ｄ１以上に位置する地点を示す。
【００２４】
圧電素子１３の両端は第１の増幅部１２−１の第１の加圧部１４−１と第２の増幅部１２−２の第２の加圧部１４−２に位置する。
【００２５】
上記第１のＸ増幅部１２−１は圧電素子１３の変位を取り入れる加圧部１４−１と、上記加圧部１４−１を中心として、その両側に圧電素子の長さ方向に形成された中間棒１５−１とから構成される。上記中間棒１５−１には、図５に示したように、所定の幅を有するように形成された柱部１５−１Ａと、その両端に所定の半径を有する半円形の溝１５−１Ｃによって上記柱部の幅より相対的に狭い幅を有する狭小部１５−１Ｂが形成される。第１のＸ増幅部１２−１は上記圧電素子の長さ方向の軸に対して上記加圧部１４−１側と反対側の中間棒１５−１の端など（溝など）がスリットによって互いに連結される。また、上記スリット、加圧部１４−１及び上記中間棒１５−１で囲まれて形成される、第１のＸ増幅部１２−１内の領域には第１のＸ増幅部１２−１の重さを減らすために所定の大きさの孔１８−１がさらに形成されることができる。
【００２６】
ここで、中間棒１５−１の溝は中間棒１５−１に弾性を与えるために形成され、中間棒１５−１の狭小部１７は柱部１５−１Ａが回転する時、その回転中心になる。
【００２７】
一方、上記第２のＸ増幅部１２−２は上記第１のＸ増幅部１２−１とその構造が同じであり、Ｘ軸に対して対称に形成されて配列されるため、詳細な説明は省略する。
【００２８】
上記第１のＸ線形運動部１３−１は上記スリット１９−１Ｂを介して上記第３のＸ端１６−３と連結される第１のＸ二重スプリング１３−１Ｂと、それぞれ所定の長さを有してＸ軸と並んだ方向に形成されたスリット１９−１Ｄ，１９−１Ｅを介して上記第１のＸ二重スプリング１３−１Ｂと連結される第２のＸ二重スプリング１３−１Ａとから構成される。上記第２のＸ二重スプリング１３−１Ａはスリット１９−１Ａを介して上記第１のＸ線形運動部１３−１とその構造が同じ、上記第２のＸ線形運動部１３−２の端１３−２Ａと連結される。
【００２９】
上記第１及び第２のＸ二重スプリング１３−１Ｂ，１３−１Ａは同じ構造に形成される。例えば、第２のＸ二重スプリング１３−１Ａは二重に配列された二つの中間棒を有する。それぞれの中間棒は、図５に示したように形成される、所定の幅を有する柱部１３−１Ｃと、その両端に半円形の溝１３−１Ｅによって上記柱部の幅より狭く形成された狭小部１３−１Ｄから構成される。
【００３０】
上記第２の線形運動部１３−２は上記第１の線形運動部１３−１の構造と同じであり、Ｘ軸に対して対称的に形成されているため、その詳細な説明は省略する。
【００３１】
図３は図１のＹ軸ステージ２０を説明するための構成図であって、Ｘ軸ステージ１０に類似している構造を有し、上記第１のＸ領域ＲＸ１内の第３のＸ領域１７内に形成される。
【００３２】
上記Ｙ軸ステージ２０は所定の長さを有し、入力される電圧によってＸ軸方向へ長さが変わる圧電素子２３と、上記圧電素子２３の長さ方向の両端とそれぞれ連結され、上記第２のＸ領域ＲＸ２の第１のＹ端２５に固定され、上記圧電素子２３を基準として上記第１のＹ端２５から反対側に形成された第２のＹ端２６をＹ軸方向へ直線移動させる第１のＹ駆動部２１−１及び第２のＹ駆動部２１−２Ｘから構成される。ここで、上記第２のＸ領域ＲＸ２と第３の領域１７はそれぞれ形成された位置が類似しているが、図１と図２に示したように、それぞれの位置は明確に定義されることができる。
【００３３】
上記第１のＹ駆動部２１−１と上記第２のＹ駆動部２１−２はその構造が互いに同じであり、Ｙ軸に対して対称的に形成されて配列される。すなわち、上記第１及び第２のＹ駆動部２１−１，２１−２は上記圧電素子２３の長さ方向の両端にそれぞれ連結され、上記圧電素子２３が駆動することにより生成される変位を増幅し、上記第２のＹ端２６を上記増幅された変位だけＹ軸方向へ直線運動させる第１及び第２のＹ増幅部２２−１，２２−２と、上記第１のＹ端２５部を横切るスリットなど２７−１，２７−２を介して上記第１及び第２のＹ増幅部２２−１，２２−２とそれぞれ連結され、上記増幅された変位だけＹ軸方向へ並んで移動する第１及び第２のＹ線形運動部２３−１，２３−２から構成される。ここで、スリット２７−３は上記第１及び第２のＹ増幅部２２−１，２２−２と連結される第１及び第２のＹ線形運動部２３−１，２３−２の端などの他端などを互いに連結する。
【００３４】
ここで、上記スリット２７−１，２７−２，２７−３と上記第１及び第２のＹ線形運動部２３−１，２３−２は自分らによって囲まれる所定の第３のＹ領域２８を形成し、その第３のＹ領域２８内に上記第１及び第２のＹ増幅部２２−１，２２−２がＹ軸に対称的に配列される。上記第３のＹ領域２８は第１のＹ領域ＲＹ１に位置する。
【００３５】
一方、上記第２のＹ端２６は上記第１のＹ端２５を基準としてＹ軸方向に上記第１及び第２のＹ増幅部の端地点からＹ軸方向の長さが増加する位置を示す。
【００３６】
上記第１のＹ増幅部２２−１と上記第２のＹ増幅部２２−２はその構造が互いに同じであり、Ｙ軸に対して対称的に形成される。それぞれの第１及び第２のＹ増幅部２２−１，２２−２は上記第１及び第２のＸ増幅部１２−１、１２−２の構造と同様に、圧電素子２３の変位を取り入れる加圧部２４−１，２４−２と、上記加圧部２４−１，２４−２を中心としてＸ軸に対称的にその両側に形成された中間棒２４などとから構成される。
【００３７】
上記中間棒２４には、図５に示したように、所定の幅を有する柱部と、その両端に所定の半径を有する半円形の溝により上記柱部の幅より狭い幅を有する狭小部が形成される。上記中間棒２４の機能と動作方法はＸ軸ステージの中間棒１５−１Ａのものと同じである。
【００３８】
一方、上記第１及び第２のＹ線形運動部２３−１，２３−２はその構造及び動作原理が、第１及び第２のＸ線形運動部１３−１，１３−２の構造及び動作原理と同じであり、Ｙ軸に対して対称的に形成される。
【００３９】
図４は図１のＺ軸ステージを説明するための構成図であって、上記Ｙ軸ステージ２０の第２のＹ領域ＲＹ２内に固定される、所定の広さと厚さとを有する底部３４と、上記底部３４の面に垂直方向のＺ軸方向で、底部３４と一体型に形成されてＺ軸方向へ直線運動するＺ線形駆動部３１と、上記底部３４と上記Ｚ線形駆動部３１が接する部位であり、上記Ｚ線形駆動部３１に形成された、所定の大きさの空間３１−１にＺ軸方向へ長さが増減するように設けられる圧電素子３３とを含む。
【００４０】
ここで、上記圧電素子３３は上記底部３４に形成されたボルト−ナット結合手段３４−１によって上記Ｚ線形駆動部３１の中央位置で動作するように、空間３１−１内に固定される。
【００４１】
上記Ｚ線形駆動部３１は上記圧電素子３３の駆動により、底部３４からＺ軸方向に位置した第１のＺ端３６をＺ軸へ直線運動させる第１及び第２のＺ線形運動部３１−１，３１−２と、上記第１のＺ端３６と隣接した位置に、試片受け台（図示せず）を支持するための受け台収容部３２とを含む。
【００４２】
上記第１及び第２のＺ線形運動部３１−１，３１−２は、上述した第１及び第２のＸ線形運動部１３−１，１３−２、または第１及び第２のＹ線形運動部２３−１、２３−２の構造及び動作原理が互いに同じであり、Ｚ軸に対して対称的に配列される。すなわち、各第１及び第２のＺ線形運動部３１−１，３１−２は第１〜第４のＺ二重スプリング３１−１Ａ，３１−１Ｂ，３１−２Ａ，３１−２Ｂとこれらをそれぞれ連結するスリットなどを含む。特に、第１のＺ二重スプリング３１−１Ａと第３のＺ二重スプリング３１−２Ａはスリット３５によって連結される。
【００４３】
一方、上記Ｚ軸ステージ３０の底部３４は圧電素子によって発生される力が第２のＹ領域ＲＹ２に広く分散する機能をするため、その広さが上記第２のＹ領域ＲＹ２より大きい場合には、所定の厚さを有するスペーサ（ｓｐａｃｅｒ；図示せず）が上記第２のＹ領域ＲＹ２と底部３４の間に設けられることができる。従って、上記スペーサは第２のＹ領域ＲＹ２を外れる底部が、例えば、Ｙ軸ステージの第１のＹ及び第２のＹ増幅部と面接触しないようにする。
【００４４】
上記のように構成された本発明による３軸直線運動ステージの増幅原理とその動作方法を図面と共に説明すれば次の通りである。
図６と図７は本発明による３軸直線運動ステージの増幅原理を説明するための模型の構成図であって、例えば、Ｘ軸ステージ１０の第１及び第２のＸ増幅部１２−１，１２−２の模型である。すなわち、図６は増幅部が正常状態にある時のＸ軸ステージの模型を示した構成図であり、図７は増幅部の圧電素子の長さが増えた状態にある時のＸ軸ステージの模型を示した構成図である。
【００４５】
図６と図７に示した模型において、圧電素子１３は模型圧電素子１３ｇに対応し、第１及び第２の加圧部１４−１，１４−２は第１及び第２の模型加圧部１４−１ｇ，１４−２ｇに対応し、第１及び第２のＸ端１６−１，１６−２は第１及び第２の模型Ｘ端１６−１ｇ，１６−２ｇに対応し、中間棒１５−１Ａは模型中間棒１５−１Ａｇに対応する。
【００４６】
上記のように、各要素などが模型から模型要素として定義される時、第１の加圧部１４−１ｇと模型圧電素子１３ｇ間の距離（５１）、模型圧電素子１３ｇと第２の模型Ｘ端１６−２ｇ間の距離５２及び第１の加圧部１４−１ｇと第２の模型Ｘ端１６−２ｇの距離５３は三角形５０を形成する底辺、高さ、斜辺に対応される距離として定義されることができる。
【００４７】
次に、圧電素子１３が動作してその長さが増える場合、第１及び第２のＸ増幅部１２−１，１２−２が動作して第２のＸ端１６−２が変位される過程を、図６、図７と共に説明すれば、次の通りである。
【００４８】
中間棒１５−１Ａの長さが一定であり、第１のＸ端１６−１が底板４０に固定されているため、圧電素子１３の長さが増える場合、図６に示した模型から図７に示した模型に変化される。すなわち、図６に示した三つの辺５１，５２，５３を有する三角形５０は図７に示した三つの辺５１−１，５２−１，５３を有する変形された三角形５０−１に変化する。ここで、中間棒１５−１Ａの長さが一定であるため、その長さに対応する斜辺５３は変化しない代わり、高さ５２は縮んだ高さ５２−１に変化され、底辺５１は増えた底辺５１−１に変わる。従って、上記圧電素子１３の長さが増えると、第２のＸ端１６−２ｇはその原位置から△ｘだけ減少する。
【００４９】
図８は本発明による３軸直線運動ステージの動作方法を説明するための模型を示した構成図である。
図面に示した模型において、底板４０は模型底板４０ｇに対応し、Ｘ軸ステージ１０は模型Ｘ軸ステージ１０ｇに対応し、Ｙ軸ステージ２０は模型Ｙ軸ステージ２０ｇに対応し、Ｚ軸ステージ３０は模型Ｚ軸ステージ３０ｇに対応し、Ｚ線形運動部３１は模型Ｚ線形運動部３１ｇに対応する。また、第１及び第２のＸ増幅部１１−１，１１−２は第１及び第２の模型Ｘ増幅部１１−１ｇ，１１−２ｇに対応し、第１及び第２のＹ増幅部２１−１，２１−２は第１及び第２の模型Ｙ増幅部２１−１ｇ，２１−２ｇに対応する。
【００５０】
ここで、第１のＸ領域ＲＸ１（実質的には第３のＸ領域１７に形成される）に形成されるＹ軸ステージ２０は、図示されたように、模型第Ｘ１領域ＲＸ１ｇに配列される。また、たとえ、Ｚ軸ステージ３０の底板の広さが第２のＹ領域ＲＹ２の広さより大きいといっても、スペーサはＺ軸ステージ３０が第２のＹ領域ＲＹ２以外の領域と面接触されないようにするため、Ｚ軸ステージ３０は模型第２のＹ領域ＲＹ２ｇに配列される。
【００５１】
従って、圧電素子１３が動作することにより、模型Ｘ軸ステージ１０ｇの模型第１のＸ領域ＲＸ１ｇは模型底板４０ｇに固定された第１の模型Ｘ端１６−１ｇに対してＸ軸方向へのみ移動する。そうすると、模型第１のＸ領域ＲＸ１ｇ内に配列された模型Ｙ軸ステージ２０ｇもＸ軸方向へのみ移動する。
【００５２】
一方、模型第１のＸ領域ＲＸ１ｇ内に配列された模型Ｙ軸ステージ２０ｇにおいて、圧電素子２３が動作することにより、模型Ｙ軸ステージ２０ｇの模型第２のＹ領域ＲＹ２ｇはＹ軸方向へのみ移動する。そうすると、模型第２のＹ領域ＲＹ２ｇ内に配列された模型Ｚ軸ステージ３０ｇはＺ軸方向へのみ移動する。すなわち、Ｚ軸ステージ３０ｇの模型底板３４ｇは模型第２のＹ領域ＲＹ２ｇにのみ固定されるため、その模型底板３４ｇに設けられた模型Ｚ線形運動部３１ｇはＺ軸へ移動する。
【００５３】
従って、試片を入れている試片受け台は模型Ｘ軸ステージ１０ｇによってＸ軸方向へ移動し、模型Ｙ軸ステージ２０ｇによってＹ軸方向へ移動し、模型Ｚ線形運動部３１ｇによってＺ軸方向へ移動される。
【００５４】
図９は本発明による３軸直線運動ステージが設けられた試片検査装置の部分斜視図であって、試片を支持する３軸直線運動ステージ１００と、その試片を検査する原子顕微鏡とを含む。
【００５５】
ここで、上記３軸直線運動ステージ１００はＺ線形運動部の受け台収容部３２にある試片受け台６０と、上記試片受け台６０の端に付着されて試片が置かれる試片固定部６１と、上記試片受け台と並んで試片固定部６１の下方に傾斜した状態に置いた鏡６３とをさらに含む。
【００５６】
上記原子顕微鏡７０は試片６２を走査するチップ７１と、上記チップ７１が固定される固定台７２を含む。
【００５７】
従って、上記チップ７１が試片６２の上方に位置した状態において、３軸直線運動ステージが動作することにより、試片を精密に走査できる。この時、試片の動きは鏡６３に入射されて反射されるレーザビームを分析することにより検出される。
【００５８】
次に、実質的に本発明による３軸直線運動ステージの各要素の作動方法に対して詳細に説明すると、次の通りである。
Ｘ軸ステージ１０は、図２に示したように、圧電素子１３が膨張すると、加圧部１４−１，１４−２を両側に押し出し、それにより、その加圧部１４−１，１４−２間のすきまができながら、圧電素子１３の長さが増える方向と垂直な方向へ第１及び第２のＸ増幅部１２−１，１２−２が収縮する（図６及び図７参照）。上記第１及び第２のＸ増幅部１２−１，１２−２が収縮すると、第２のＸ端１６−２と、それと隣接したＸ領域１７が第１のＸ端１６−１側へ直線移動する。
【００５９】
一方、上記のように、圧電素子１３が収縮すると、上記第１及び第２のＸ増幅部１２−１，１２−２は膨張し、それにより第２のＸ端１６−２と、それと隣接したＸ領域１７が第１のＸ端１６−１側から遠ざかる方向へ直線移動する。
従って、圧電素子１３が収縮と膨張によってＸ領域１７がＸ軸方向へ直線移動する。
【００６０】
Ｘ軸ステージの動作と同様に、図３に示したＹ軸ステージ２０は、圧電素子２３が膨張すると、上記第１及び第２のＹ増幅部２２−１，２２−２が収縮し、それにより第２のＹ端２６と、それと隣接した第２のＹ領域ＲＹ２が第１のＹ端２５側に向かってＹ軸と並んで直線移動し、圧電素子２３が収縮すると、上記第１及び第２のＹ増幅部２２−１，２２−２は膨張し、それにより第２のＹ端２６と、それと隣接した第２のＹ領域ＲＹ２が第１のＹ端２５側からＹ軸と並んで遠ざかる直線移動をする。
従って、圧電素子２３が収縮と膨張することにより、第２のＹ領域ＲＹ２がＹ軸方向へ直線移動する。
【００６１】
図４に示したＺステージ３０は、Ｙ軸ステージ２０の第２のＹ領域ＲＹ２に固定されるため、上記Ｘ軸及びＹ軸ステージ１０，２０が動作することにより、Ｘ軸方向とＹ軸方向へ移動される。一方、圧電素子３３が膨張、収縮することにより、Ｚ軸ステージ３０のＺ線形運動部３１がＺ軸方向へ底部３４側から膨張したり、収縮したりする。従って、Ｚ線形運動部３１が収縮と膨張することにより、受け台収容部３２もＺ軸方向へ直線移動する。
【００６２】
従って、各Ｘ、Ｙ、Ｚ軸ステージ１０，２０，３０は他のステージの動作に影響を及ぼしたり、受けないで動作するため、自身が移動させる領域を自身の軸方向に対して正確で精密に移動できる。
【００６３】
本発明の実施例で採用された二重複合スプリングは、それぞれ四つの狭小部と二つの中間棒とから構成され、力が一つの経路を介して伝達され得るように、その狭小部などは直列に連結される。従って、二重複合スプリングは全体的な弾性係数が小さく、それにより少ない駆動力で十分に大きい変位を生成できる。
【００６４】
また、直列に連結される複数の狭小部などは直線運動部のみを生成するために、平行に多列配列される。すなわち、直列に並んだ狭小部は直列に並んだ方向へ弾性変形されて変位を生成できるが、その直列に並んだ方向に垂直な方向の変位は生成されにくいため、二重複合スプリングなどは一方向にのみ動くことができる自由度を有する。
【００６５】
本発明の実施例において、増幅部に含まれた加圧部及び中間棒が各軸に対して対称的に形成されて配列されるため、増幅部が動作する時、増幅部と連結された他の構成要素などが正確に直線運動を遂行する。
【００６６】
ステージが自身の共振周波数近くとか、その以上から駆動されると、ステージは共振して損傷されたり、その運動が制御されにくくなる。ステージの共振周波数が低いと、その駆動速度は大きくなることができないため、ステージが早く駆動されようとしたら、望ましくはステージの共振周波数が大きくなければならない。
【００６７】
一般的に、所定のシステムの共振周波数はω＝（ｋ／ｍ）１／２（ω：共振周波数、ｋ：弾性係数、ｍ：質量）に表現される。
【００６８】
従って、本発明のステージにおいて、その共振周波数を高めようとしたら、その質量が小さくなければならない。このために、第１及び第２のＸ軸増幅部１２−１，１２−２に所定の大きさを有する孔１８−１，１８−２を形成してＸ軸ステージの重さを減らした。同時に、中間棒１５−１Ａ，１５−１Ｂはその質量を一定に維持するために台形に形成される。従って、本発明によるステージは弾性係数が大きくなり、それにより共振周波数も高める。
【００６９】
一方、従来の原子顕微鏡において、チップが試片上から試片を走査するため、チップが試片を走査する位置と、検出器がその試片を測定する位置とが互いに一致せず、従来の原子顕微鏡はアッベ測定誤差を生成する。
【００７０】
しかし、本発明による３軸直線運動ステージは、原子顕微鏡において、その検出器が試片を固定する試片固定部の下に設けられるようにし、チップは試片上から試片を走査するようにする。従って、本発明による３軸直線運動ステージは、検出器が測定する試片の測定位置とチップが走査する走査位置とを一致させるため、原子顕微鏡はアッベ測定誤差がなく、試片を正確で、精密に測定できる。
【００７１】
本発明による３軸直線運動ステージは、Ｘ軸ステージ１０とＹ軸ステージ２０が同一な平面上で運動するように設計されたため、力の作用点と各ステージの重さ中心とが一の平面上に位置し、それによってモメントを発生せず、振動を相対的に小さく発生する。従って、本発明による３軸直線運動ステージは試片を正確で、精密に直線方向へ運動させることができる。
【００７２】
また、Ｘ軸方向へのみ運動するＸ軸ステージ１０はＹ軸ステージ２０がＹ軸方向へ移動するに影響を及ぼさないため、各ステージ１０，２０の運動は互いに関連されず独立的になされる。例えば、Ｘ軸ステージの運動はＹ軸ステージの運動によるＹ軸運動誤差を含まないため、Ｘ軸方向へ試片を正確に移動させることができ、その反対の場合も同様である。
【００７３】
本発明の実施例において、Ｚ軸ステージは増幅部を含まないように構成されたが、Ｚ方向へ大きい変位が必要なシステムではＺ軸ステージに増幅部が設けられることもできる。
【００７４】
また、本発明の実施例において、Ｘ軸及びＹ軸ステージに増幅部が含まれるように構成されたが、増幅部が含まないように構成されることもできる。
【００７５】
本発明の望ましい実施例では、ステージの運動を増幅するための増幅部を使用したが、本発明はこれに限定されず、それぞれの増幅部が９０度回転されて配置されることにより、変位を縮小させる構造に変形されることもできる。
【００７６】
本発明の望ましい実施例では、共振周波数を高めるために増幅部の内部を明いている空間にするフレーム構造として構成したが、本発明はこれに限定されず、増幅構造以外のＸ軸ステージの第３のＸ領域１７とＹ軸ステージの第２のＹ領域ＲＹ２の所定の部分を除去した構造に構成されることもできる。
【００７７】
本発明の望ましい実施例では、ステージの一側に柔軟複合ヒンジ構造を使用したが、純粋直線運動を生成できる限り、板スプリングなどの柔軟性を有する構造を採択することもできる。
【００７８】
本発明の望ましい実施例では、中間棒として直線形、台形の形状を採択したが、共振周波数を高めるために三角形、または菱形の形状を採択することもできる。
【００７９】
本発明の望ましい実施例において、３軸直線運動ステージが原子顕微鏡に適用される例を説明したが、半導体装備のような超精密駆動を必要とする装置に適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明による３軸直線運動ステージを示した斜視図。
【図２】図１のＸ軸ステージを説明するための構成図。
【図３】図１のＹ軸ステージを説明するための構成図。
【図４】図１のＺ軸ステージを説明するための構成図。
【図５】本発明による３軸ステージの中間棒の斜視図。
【図６】本発明による３軸直線運動ステージの増幅原理を説明するための構成図。
【図７】本発明による３軸直線運動ステージの増幅原理を説明するための構成図。
【図８】本発明による３軸直線運動ステージの動作方法を説明するための構成図。
【図９】本発明による３軸直線運動ステージが設けられた原子顕微鏡の部分斜視図。
【図１０】ピエゾチューブを使用して構成された従来の３軸ステージの構成図。
【図１１】レーバ型柔軟機構を有する従来の直線運動ステージを示した構成図。
【符号の説明】
【００８１】
１０…Ｘ軸ステージ、２０…Ｙ軸ステージ、３０…Ｚ軸ステージ、４０…底板、ＲＸ１…第１のＸ領域、ＲＸ２…第２のＸ領域、ＲＹ１…第１のＹ領域、ＲＹ２…第２のＹ領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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